纤维增强复合材料建设工程应用技术
——试验, 理论与方法

冯鹏, 陆新征, 叶列平 著

中国建筑工业出版社

内容简介

　　纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer，简称FRP）作为一种新型高性能工程结构材料，开始受到我国土木工程技术人员和研究人员的关注，并成为工程结构发展的一个重要方向。本书详细介绍了清华大学近年来对纤维增强复合材料在土木工程中的应用所进行的研究成果，包括：绪论、FRP材料性能、复合材料力学概述、FRP约束混凝土、FRP-混凝土界面性能、混凝土柱的抗震加固、混凝土构件的抗剪加固、混凝土梁板的抗弯加固、砌体结构加固，FRP桥面结构及FRP组合梁、板等共11章内容。
　　本书可供从事纤维增强复合材料工程应用和研究的相关人员参考。

前 言

　　1997年，我国开始在混凝土结构加固领域引入粘贴碳纤维布加固技术，并开展了相应的研究，目前这项技术已在我国得到成功推广应用。随后，纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer, 简称FRP)作为一种新型高性能工程结构材料，开始受到我国土木工程技术人员和研究人员的关注，并成为工程结构发展的一个重要方向。国际上这一新领域的应用和研究比我国早，研究工作也比我国活跃，应用范围也更宽。在国家自然科学重点基金（50238030）和国家863计划（2001AA336010）等项目的资助下，本书作者与其它合作者对FRP材料在土木工程结构领域的基础理论和应用技术进行了系统深入全面的试验和理论研究，取得了一系列的成果。为在我国土木工程结构领域推广应用FRP材料，介绍有关设计计算理论，促进相关研究工作的进一步开展，本书作者将近年来清华大学所完成的主要研究工作进行了总结。本书内容包括：绪论；FRP材料性能；复合材料力学概述；FRP约束混凝土；FRP-混凝土界面性能；混凝土柱的抗震加固；混凝土构件的抗剪加固；混凝土梁板的抗弯加固；砌体结构加固；FRP桥面结构；FRP组合梁板，共11章内容。本书中的大部分内容为国家标准《纤维增强复合材料建设工程应用技术规范》（GB50608-2010）的编制提供了技术背景。
　　本书第1、2、3、10、11章由冯鹏和叶列平共同撰写，第4、5、6、7、8、9章由陆新征和叶列平共同撰写，全书最后由冯鹏负责整理。
　　本书是基于清华大学的博士后和研究生共同完成的研究成果整理形成的，参加研究工作有：博士后杨勇新；博士研究生冯鹏、陆新征、张轲、钱鹏、郑云、李静、曲哲；硕士研究生赵树红、方团卿、谭壮、林磊、胡伟红、刘英磊、黄羽立、鲁国昌、庄江波、沙吾列提.拜开依、李天虹。在整个研究工作中，得到了国际FRP土木工程应用学会主任及香港理工大学滕锦光教授、中国FRP及其工程应用委员会主席岳清瑞教授、日本茨城大学吴智深教授、英国爱丁堡大学陈建飞博士以及其它国内外合作者和FRP制造厂家的帮助和支持，在此也表示衷心的感谢。本书的主要研究工作得到了国家自然科学重点基金（50238030）和国家863计划（2001AA336010）等项目的资助，出版得到了国家自然科学基金专项主任基金（51048004）的支持，在此也表示衷心感谢。
　　由于作者水平有限，本书一定存在许多不足和错误，欢迎有关专家和读者提出宝贵意见。

冯鹏 陆新征 叶列平
2001年12月
于清华园

1 绪论
　1.1 FRP材料的特点
　1.2工程结构加固补强
　1.3 FRP筋和预应力FRP筋混凝土结构
　1.4 FRP结构及FRP组合结构

2 FRP材料
　2.1 FRP材料的组成
　2.2 FRP的制备工艺
　2.3 FRP材料性能的设计取值

3 复合材料力学概述
　3.1复合材料力学基础
　3.2 单层板分析
　3.3 层合板分析
　3.4 FRP的强度与破坏

4 FRP约束混凝土
　4.1 概述
　4.2 FRP布约束混凝土圆柱
　4.3 FRP管约束混凝土圆柱
　4.4 FRP布约束混凝土方柱
　4.5 FRP约束混凝土计算方法

5 FRP－混凝土界面性能
　5.1 概述
　5.2 FRP－混凝土的界面受力状态
　5.3 FRP－混凝土界面性能试验
　5.4 FRP－混凝土界面破坏机理

6 抗震加固
　6.1 概述
　6.2 清华大学李静等的试验研究
　6.3 清华大学胡伟红等的试验研究
　6.4 清华大学刘英磊等的试验研究
　6.5 《规范》建议的柱抗震加固方法

7 抗剪加固
　7.1 概述
　7.2混凝土梁的抗剪加固试验研究
　7.3混凝土柱的抗剪加固试验研究
　7.4 抗剪加固计算

8 抗弯加固
　8.1 概述
　8.2 抗弯加固受力性能及其承载力计算
　8.3 FRP剥离破坏
　8.4 裂缝计算
　8.5 预应力加固
　8.6 疲劳加固

9 砌体加固
　9.1 概述
　9.2 砌体墙面内破坏理论
　9.3 FRP加固砌体结构的主要形式
　9.4 FRP加固砌体试验研究及分析
　9.5 FRP加固砌体墙受剪承载力分析
　9.6 FRP加固砌体墙受剪承载力计算

10 FRP桥面结构
　10.1 FRP桥面结构的应用背景
　10.2 FRP桥面板的形式与分类
　10.3 FRP桥面结构体系的研究与开发
　10.4 空心桥面板的变形及破坏
　10.5 外部缠绕增强FRP桥面板

11 FRP组合梁、板
　11.1 概述
　11.2 FRP－混凝土剪力连接性能的研究
　11.3 FRP-混凝土组合梁的试验研究
　11.4 设计计算方法

1 绪论

　　纤维增强复合材料（fiber reinforced polymer/ plastic，简称FRP）是由纤维材料与基体材料按一定比例混合并经过一定工艺复合形成的高性能新型材料。这种材料从上世纪40年代问世以来，在航空、航天、船舶、汽车、化工、医学和机械等领域得到了广泛的应用。近年来，FRP以其高强、轻质、耐腐蚀等优点，开始在土木与建筑工程结构中得到应用，并受到工程界的广泛关注。
　　复合材料由增强材料和基体构成，根据复合材料中增强材料的形状，可分为颗粒复合材料、层合复合材料和纤维增强复合材料等。FRP只是复合材料中的一种。常用的FRP的基体为树脂、金属、碳素、陶瓷等，纤维种类有玻璃纤维、硼纤维、碳纤维、芳纶纤维、陶瓷纤维、玄武岩纤维、聚烯烃纤维、PBO（聚对亚苯基苯并双噁唑）纤维以及金属纤维等。目前工程结构中常用的FRP主要为碳纤维（carbon fiber）、玻璃纤维（glass fiber）和芳纶纤维（aramid fiber）增强的树脂基体，分别简称为GFRP、CFRP和AFRP。
　　FRP作为结构材料出现于1942年，美国军方用手糊的GFRP制作雷达天线罩[1]。上世纪50~60年代FRP才开始用于民用建筑中。1961年，英国Smethwick的一座教堂的尖顶采用了GFRP[2]；1968年，英国的工程师用GFRP板和铝质骨架在利比亚港口城市班加西设计并建造了一个穹顶，防止空气中氯盐对结构的侵蚀；同年，英国Wollaston又建成了一座全GFRP折板结构的仓库[2]；1970年，英国Liverpool建成了一座GFRP连续梁的人行天桥，跨径10m，宽1.5m[3]。它们分别为文献记载中较早将FRP应用于建筑和桥梁结构中的实例，这些结构都是手糊工艺制成。
　　我国于1958年就开始探索在混凝土构件中用玻璃纤维束代替钢筋[3]。到70~80年代FRP在结构工程中的应用与研究逐渐增多。1972年在云南建造了一个直径为44m的球形GFRP雷达天线罩[4]；1982年在北京密云建成一座跨径20.7米GFRP蜂窝箱梁公路桥，设计荷载等级为汽-15、挂-80，并进行了现场荷载试验，该桥为世界上第一座FRP公路桥[4]。此后，FRP，尤其是价格比较便宜的GFRP（俗称玻璃钢），在工结构程中应用的越来越多。但这些应用大多数都是附属性、临时性的构件，FRP材料的优越性能没有得到充分发挥，即使用FRP作为结构材料也多是尝试性的，没有形成规模。同时，多数的结构工程师不了解FRP材料，大大限制了它的应用和推广。
　　近十年来，尤其在美国北岭地震和日本阪神大地震后，FRP材料（主要是片材）加固补强混凝土结构技术在工程中得到了很好的应用。随着这项技术在世界各地的推广和发展，FRP材料的轻质高强、耐腐蚀、施工性能好等优越性能被工程界逐渐认可，开始以各种形式应用于各类土木与建筑结构工程中。目前，FRP材料在工程结构中的应用和研究十分活跃，已逐渐形成一个新的学科研究热点。本书对FRP材料在土木与建筑结构工程中应用与研究情况进行介绍，并探讨今后可能的发展趋势，以期促进FRP材料在我国土木与建筑结构工程领域应用和研究工作的开展。
　　本节简要介绍了FRP这一高性能新型结构材料的特点和在土木与建筑工程结构中的发展及应用情况。目前国外发达国家的工程领域对FRP材料的开发和应用十分重视这种高性能材料，开展了大量研究，组织过近百次各类国际学术交流会议，成为一个非常活跃的研究领域，并且在实际应用方面也已有很多的实例，一些国家也已制定了各种应用的相应规范和技术标准。尽管FRP材料不能大面积代替传统钢材和混凝土材料，但作为一种高性能材料，它必将成为传统结构材料的必要补充，使得以往工程中难以解决的一些问题迎刃而解，给土木与建筑工程带来新的发展契机，并将显示不可忽视的综合经济效益。我国近年来在该领域的研究和应用工作发展迅速，但主要以结构加固为主，其它方面的工作相对较为滞后。希望通过本文，使工程师们对FRP材料有更多的认识，在未来的几年里我国在FRP材料研究和应用方面能有较快的发展，提升我国土木和建筑结构的水平。

　　………………

2 FRP材料

　　FRP材料诞生已超过60年，在建筑和桥梁的结构中应用也有近50年的历史，但FRP材料的力学性能与传统的土木工程结构材料有较大的差别，它是由两种甚至两种以上的材料复合形成，其力学性能不仅与其材料组成有关，也与制备工艺相关，具有各项异性和非均匀性等特点。本章将对FRP材料的基本特征进行介绍。
　　………………

3 复合材料力学概述

　　由于FRP材料具有各项异性和非均匀性等特点，其力学分析方法与传统的弹性力学的分析对象不同，形成了专门的分析理论，即复合材料力学，成为研究FRP材料力学性能的理论基础。
3.1复合材料力学基础
3.1.1 层合板模型
　　采用各种方法制备的FRP，从细观构造上看都是不均匀的，并且具有类似层状的细观结构，例如，手糊工艺中通过分层铺设纤维布制成板、壳等结构；拉挤工艺中通过预成型将纤维分层排列后进入模具成型。因此，FRP可视为由多个不同层板构成的细观结构，如图3.1.1-1 所示，称为层合板。
　　………………

4 FRP约束混凝土

4.1 概述
　　FRP加固混凝土结构的一个重要应用领域就是通过缠绕FRP提供的约束来提高钢筋混凝土柱的抗压承载力和变形能力。为进行FRP加固混凝土柱抗震性能分析，并获得设计计算方法，需先对FRP约束混凝土的轴心受压性能及其应力－应变关系进行研究。
FRP约束混凝土在轴向压力作用下，FRP沿环向受拉，而混凝土处于三轴压缩状态。大量的试验表明，FRP约束混凝土柱的抗压强度和延性都得到很大的提高，FRP的高抗拉强度也得到了充分的利用。虽然FRP复合材料受拉和混凝土的单轴压缩都是脆性的，但是它们组合起来得到的FRP约束混凝土却有相当好的轴压延性（图4.1-1）。
　　………………

5 FRP－混凝土界面性能

5.1 概述
　　FRP与混凝土界面的可靠粘结是粘贴FRP片材加固混凝土结构必要条件。界面受力性能是粘贴FRP片材加固混凝土结构的基础问题，这与钢筋混凝土结构中钢筋与混凝土的粘结问题相同。但是，需要值得特别关注的是，由于FRP强度比钢材要高很多，要充分利用FRP材料强度，对FRP－混凝土界面强度的要求也就更高。而实际工程中，由于FRP多采用外部粘贴方式，其界面强度和变形能力都比埋在混凝土内部的钢筋要低很多。因此，在实际加固工程中外贴的FRP，经常出现由于FRP－混凝土界面强度不足而导致的破坏。因此，研究FRP与混凝土界面粘结性能和界面剥离承载力，对于研究FRP加固混凝土构件的破坏机理、设计计算理论和保证FRP材料的强度发挥具有重要意义。
　　………………

6 抗震加固

6.1 概述
　　我国的抗震设防标准为"小震不坏、中震不倒、大震可修"，这就对房屋结构和桥梁工程中结构柱的抗震性能提出了更高的要求，因为它的脆性破坏往往造成惨重的财产损失和人员伤亡。通过外部缠绕FRP约束混凝土对钢筋混凝土柱子进行抗震加固，是FRP在结构工程中应用得最早，也是最为成功的领域。由于FRP材料高强、轻、薄、易于施工，因此比起传统的包钢或增大混凝土截面加固方法而言具有明显的优势。而FRP弹性模量较低，脆性大等缺点，在抗震加固中反而倒并不明显。
　　FRP进行抗震加固可以通过包裹粘贴或者封闭缠绕纤维布，或在柱子外侧套上预制成形的FRP管等。一般说来，FRP对柱子抗震加固的主要贡献包括：
(1) 通过FRP约束，可以有效提高混凝土的变形能力，避免保护层混凝土在地震荷载下的剥落，增大钢筋混凝土柱子在地震下的延性，提高结构的抗震性能；
(2) 缠绕FRP可以有效提高避免柱子的抗剪能力，避免发生剪切破坏，实现弯曲延性破坏；
(3) 对于钢筋混凝土圆柱，或者对于达到一定加固量的钢筋混凝土方柱，缠绕FRP还可以提高混凝土的抗压强度，从而降低轴压比，进一步提高其抗震能力。
　　………………

7 抗剪加固

　　外贴FRP或包裹FRP以提高钢筋混凝土梁/柱的抗剪承载力，是FRP加固混凝土结构的另一个重要应用领域。粘贴于混凝土梁/柱侧面的FRP与抗剪腹筋作用类似，可以提供抗剪承载力并限制混凝土斜裂缝开展。在工程中常用的受剪加固方法有以下三种：
（1） 侧面粘贴：即将FRP仅粘贴于梁的侧面。由于FRP是一种单向受力材料，因此FRP纤维方向与斜裂缝之间的角度越大，加固的效果越好。另外，梁在反复荷载作用下，剪力方向可能会发生变化，粘贴的FRP片材应该能够同时约束两个方向斜裂缝的张开。因此，工程中常用的侧面粘贴方式有竖向粘贴（FRP纤维方向和梁轴线垂直）（图7.1-1a），斜向粘贴（图7.1-1b，承受单向荷载），以及双向斜向粘贴（图7.1-1c，承受反复荷载）。
（2） U型粘贴：即将FRP同时粘贴于梁的底面和侧面，形成U型箍，见图7.1-2。相比侧面粘贴而言，这种粘贴方式可以在一定程度上提高FRP抗剪加固的剥离承载力，而且当梁同时需要在底面粘贴FRP进行抗弯加固时，U型箍还可以提高抗弯加固的剥离承载力，并延缓破坏过程。由于实际结构中梁顶部一般有混凝土楼板，使得无法使用更为有效的封闭粘贴，所以U型粘贴是目前梁抗剪加固应用最为广泛的形式。但是，使用U型粘贴时，一般纤维方向和梁底面方向只能垂直布置，不如侧面粘贴方向灵活。另外，施工时需要将梁的拐角打磨圆滑以避免应力集中。
（3） 封闭包裹粘贴：即用FRP把构件封闭包裹起来，如图7.1-3所示。这种加固方式在梁的受剪加固中使用得比较少，因为梁的上部一般有楼板，很难形成封闭包裹。而在柱子的受剪加固中封闭包裹使用得比较多一些。而且，封闭包裹FRP还可以对混凝土柱提供约束，提高混凝土柱的延性。所以在柱子的抗剪加固中封闭包裹粘贴应用得最为广泛。同样，在包裹的拐角处也需要打磨出圆角。
　　………………

8 抗弯加固

8.1 概述
　　将FRP片材粘贴与钢筋混凝土梁的底面和侧面（或板的底面），与受拉钢筋一起提供抗弯作用，是提高钢筋混凝土梁板抗弯承载力的一个有效措施。一般说来，由于抗弯加固粘贴FRP片材的总截面面积，相对于原有受拉钢筋较小，故而对于未张拉预应力的FRP加固片材，在钢筋屈服前提供的抗弯承载力和刚度都比较有限，一般不超过10%，FRP片材的抗弯贡献主要在钢筋屈服以后才表现出来（图8.1-1）。而如果在FRP上适当施加预应力，则不仅可以充分发挥FRP片材材料的高强特点，有效提高钢筋混凝土梁板的抗弯承载力，而且可以有效提高受弯构件的抗弯刚度，减小裂缝。但由于FRP的抗剪强度较低，且较脆，因此需要设计专门的张拉设备、施工技术和锚固手段，本书在8.5节专门介绍预应力FRP片材加固钢筋混凝土梁。
　　………………

9 砌体加固

　　由于砌体结构具有取材方便，有良好的耐火、保温、隔声、抗腐蚀性能，同时具有承重和围护功能，施工方便等优点，加上我国传统"秦砖汉瓦"的历史原因，我国目前存在大量的砌体结构建筑。但是，砌体结构，特别是以普通粘土砖组成的传统砌体结构有着以下一些缺点：
(1) 抗压强度低，承重结构截面尺寸大、自重大，在地震作用下惯性力大；
(2) 块材和灰浆间的粘结力较小，因而无筋砌体的抗拉、抗弯和抗剪强度都比较低，抗震性能差；
由于砌体结构自重大、自振周期短、强度低，所以地震效应较大，破坏程度重于其它类型的结构。
　　………………